Lewitująca dioda LED: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Ja i mój zespół postanowiliśmy sprawić, że zapalona dioda LED zacznie lewitować. Po krótkim czasie googlowania natknąłem się na film od SparkFun Electronics, który można znaleźć tutaj, na którym oparliśmy nasz projekt. Nasze światło lewituje z jednym elektromagnesem nad światłem. Wybraliśmy ten projekt, ponieważ do lewitacji diody LED potrzebny jest tylko jeden elektromagnes. Aby uzyskać bezprzewodowy transfer mocy, zastosowaliśmy cewkę pierwotną przymocowaną do spodu elektromagnesu lewitacyjnego i cewkę wtórną przylutowaną do diody LED. Moduł LED posiada białą diodę LED, cewkę wtórną i silny magnes trwały. Zaprojektowałem konstrukcję i wydrukowałem wszystkie części w 3D.

Krok 1: Projektowanie struktury

Do zaprojektowania konstrukcji użyłem Solidworks. Podstawa ma pomieścić płytkę drukowaną. Przez podstawę, nogi i górne części znajdują się tunele do prowadzenia przewodów. Nie mieliśmy czasu na wydrukowanie płytki drukowanej, więc wycięcie płytki drukowanej nie było używane.

Krok 2: Nawijanie elektromagnesu

Do nakręcenia elektromagnesu użyliśmy wiertarki, aby obrócić śrubę z podkładkami jako bariery. Poszliśmy bardzo wolno, aby upewnić się, że drut się nie nakłada. Robienie tego w ten sposób zajęło dużo czasu. Myślę, że dobrze byłoby zaoszczędzić dużo czasu i mniej uważać na zakładkę podczas nawijania. Szacujemy, że elektromagnes ma 1500 zwojów.

Krok 3: Zasilacze

Do testów użyliśmy zmiennego zasilacza DC. Po tym, jak wszystko działało, użyłem starej ładowarki do laptopa 19V i regulatora napięcia 12V do zasilania szyny 12V. Do zasilania szyny 5V użyłem regulatora 5V z wyjścia regulatora 12V. Bardzo ważne jest, aby połączyć ze sobą wszystkie swoje uziemienia. Zanim to zrobiliśmy, mieliśmy problemy z obwodami. Zastosowaliśmy kondensatory w zasilaczach 12 V i 5 V, aby zredukować wszelkie szumy w szynach zasilających na płycie.

Krok 4: Obwód lewitacji

Obwód lewitacji to najtrudniejsza część tego projektu. Lewitację magnetyczną uzyskuje się za pomocą czujnika efektu Halla, który ocenia odległość od magnesu trwałego do elektromagnesu oraz obwodu porównawczego do włączania i wyłączania elektromagnesu. Ponieważ czujnik otrzymuje silniejsze pole magnetyczne, czujnik generuje niższe napięcie. To napięcie jest porównywane z regulowanym napięciem pochodzącym z potencjometru. Do porównania dwóch napięć użyliśmy wzmacniacza operacyjnego. Wyjście wzmacniacza operacyjnego włącza lub wyłącza N-kanałowy mosfet, aby umożliwić przepływ prądu przez elektromagnes. Gdy magnes trwały (dołączony do diody LED) znajduje się zbyt blisko elektromagnesu, gdzie zostanie zassany do elektromagnesu, elektromagnes wyłącza się, a gdy jest za daleko, gdzie wypadłby z lewitacji, elektromagnes włącza się. Po znalezieniu równowagi elektromagnes bardzo szybko włącza się i wyłącza, chwytając i zwalniając magnes, umożliwiając mu lewitację. Potencjometru można użyć do regulacji odległości, na jaką magnes będzie się zawisł.

Na obrazie na ekranie oscyloskopu widać sygnał z wyjścia czujnika efektu Halla oraz włączanie i wyłączanie magnesu. Gdy dioda LED zbliża się do czujnika, żółta linia rośnie. Gdy magnes jest na zielonej linii, jest niski. Kiedy jest wyłączony, zielona linia jest wysoka.

W zależności od środowiska i tego, czego używasz jako generatora przebiegów, może być konieczne dodanie małego kondensatora z wyjścia czujnika do masy. Dzięki temu większość szumów trafi prosto do masy, a czysty sygnał z czujnika zostanie wykorzystany przez wzmacniacz operacyjny.

Krok 5: Obwód zasilania bezprzewodowego

Aby obsłużyć bezprzewodową transmisję mocy, owinęliśmy 25 zwojów cewki pierwotnej przewodem magnetycznym o średnicy 24 G wokół uchwytu czujnika. Następnie wykonaliśmy cewkę wtórną, owijając drut magnetyczny o rozmiarze 32 wokół tubki papieru przez 25 zwojów. Po owinięciu zsunęliśmy cewkę z papieru i przylutowaliśmy ją do diody LED. Pamiętaj, aby usunąć emaliowaną powłokę drutu magnesu w miejscu lutowania.

Do włączania i wyłączania tranzystora MOSFET użyliśmy generatora fali prostokątnej o częstotliwości 1 MHz, który umożliwia przepływ prądu przez cewkę pierwotną od 0 do 12 V przy 1 MHz. Do testowania użyliśmy Analog Discovery dla generatora funkcji. Ostateczna wersja wykorzystuje obwód generatora fali prostokątnej 555 timera do przełączania tranzystora MOSFET. Jednak obwód ten wytwarzał mnóstwo szumów, które zakłócały szyny zasilające. Zrobiłem pudełko wyłożone folią aluminiową, które ma przegrodę do oddzielenia generatora fal i obwodu lewitacji. To znacznie zmniejszyło ilość hałasu.

Krok 6: Montaż

Użyłem Chroma Strand Labs ABS do wydrukowania podstawy i nóg w 3D. Nogi wygięły się zbyt mocno podczas drukowania, więc ponownie wydrukowałem przy użyciu Chroma Strand Labs PETg. PETg wypaczył się bardzo mało. Wszystkie części pasują do siebie bez użycia kleju. Musieliśmy wyciąć w nim kilka nacięć, aby uzyskać dodatkowy prześwit na przewody. Może być konieczne zeszlifowanie obszarów stykających się z innymi elementami, aby umożliwić luźniejsze dopasowanie.

Planujemy wydrukować płytkę drukowaną i przylutować do niej elementy tak, aby wszystko zmieściło się w wycięciu płytki drukowanej.